門源MS6.9地震前嘉峪關氣氡變化特征分析

蘇鶴軍, 周慧玲, 李晨樺, 馬東正

(1. 甘肅蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局蘭州巖土地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 3. 甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

活動斷裂是強震發(fā)生的部位[1],對斷層活動強弱的監(jiān)測是有效跟蹤地震的重要手段。斷層帶是地殼深部和地表物質(zhì)與能量交換的主要通道[2-3],來自斷裂深部的流體必然攜帶有地殼深部構造活動的信息[4],因此流體在地震監(jiān)測和跟蹤中具有重要的作用。祁連地震區(qū)是強震多發(fā)區(qū),但該區(qū)域流體監(jiān)測的臺站并不多,且由于數(shù)字化改造,大多觀測資料長度也僅十年左右,其穩(wěn)定性較差,因此對地震的監(jiān)測能力有限。

嘉峪關氣氡測點位于強震多發(fā)的祁連山地區(qū),是該地區(qū)重要的監(jiān)測臺站,其觀測環(huán)境良好,觀測資料穩(wěn)定且觀測時間長,目前已積累33年的資料。嘉峪關氣氡具有良好的映震效果,在祁連山地震區(qū)多次地震前出現(xiàn)了異常[5-6]。因此,對其異常特征進行深入分析,提取出更加有效的地震預測指標,對有效跟蹤該地區(qū)的地震具有重要的作用。

2022年1月8日,在青海門源(37.77°N,101.26°E)發(fā)生了MS6.9地震,震源深度10 km。震后地質(zhì)科考結果顯示地震發(fā)生在冷龍嶺斷裂西段和托萊山斷裂的交匯部位,為走滑型地震。這是嘉峪關氣氡觀測以來發(fā)生在祁連地震區(qū)的最大地震。2015年開始,嘉峪關氣氡出現(xiàn)了明顯的高值異常,異常幅度和持續(xù)時間都是觀測以來最顯著和最長的。為了判斷這次異常與MS6.9地震的關系,本文擬選擇嘉峪關氣氡觀測以來發(fā)生在祁連山地震區(qū)的MS6.0以上地震為震例,通過深入分析這些地震前嘉峪關氣氡的異常變化特征及不同異常特征對應地震的空間分布關系,再結合地震活動性,對嘉峪關氣氡的長趨勢異常性質(zhì)給出較為可靠的判斷,進而為快速判斷異常性質(zhì)、提高地震預測及有效跟蹤地震提供重要參考依據(jù)。

1 臺站概況及震例的選取

1.1 臺站概況

嘉峪關氣氡測點(98.28°E,39.80°N)位于祁連山地震帶西段的嘉峪關斷裂,是酒西和酒東盆地的分界地帶,該斷裂北起榆樹溝山,向南延伸至文殊溝口,全長約70 km,總體呈N30°～35°W方向展布,傾向WS,傾角73°～85°,晚第四紀以來以擠壓逆沖為主兼右旋走滑,平均滑動速率為0.52～0.56 mm/a,全新世有古地震活動[7]。

嘉峪關氣氡為斷層土壤氣觀測(圖1)。嘉峪關氣氡測點于1987年8月開始建設,1989年1月正式觀測。觀測點的測孔總深3 m,測孔下部為一高1.8 m、直徑0.3 m的柱形集氣坑,上部為一長度1.2 m的導氣孔,導氣孔內(nèi)倒置一長頸玻璃漏斗,漏斗頸內(nèi)布設直徑為3 mm的導氣管且下至孔底。導氣管外加套管保護并做密封處理,并通過轉接銅管與乳膠管相接而引出測孔外,乳膠管口與大氣連通。該臺使用FD-125型氡釷觀測儀,人工測量,每天08:30在測點用集氣瓶負壓采樣,然后帶回實驗室測試。

圖1 嘉峪關臺站周邊地區(qū)構造地質(zhì)簡圖Fig.1 Tectonic geological sketch of the area around Jiayuguan station

1.2 震例的選取

結合地質(zhì)構造背景和《中國震例》規(guī)定的異常統(tǒng)計原則[8],再沿構造方向延伸100 km的基礎上選擇1991年以來發(fā)生在祁連地震區(qū)及其周邊的MS6.0以上地震為研究對象。具體參數(shù)及空間分布見表1、圖1。

表1 震例基本參數(shù)表

2 震例分析

2.1 異常信息提取

在異常演化的時間進程中,通常將震前3個月以內(nèi)出現(xiàn)的異常定義為短期異常,震前1年以內(nèi)出現(xiàn)的異常定義為中期異常,震前1年以上出現(xiàn)的異常定義為中長期異常。年畸變是判斷年尺度異常的有效指標[5-6],嘉峪關氣氡具有很好的夏高冬低年變形態(tài)。同時,該氣氡在地震前通常會出現(xiàn)突跳型異常變化[9],因此,本文根據(jù)異常演化進程和變化形態(tài),將異常按1年以上的趨勢性異常、1年以內(nèi)的破年變異常和3個月以內(nèi)的成組突跳異常進行劃分并進行異常提取。

(1) 趨勢性異常的提取:嘉峪關氣氡具有明顯的年變特征,為了排除年變對確定趨勢異常起始時間的影響,對數(shù)據(jù)進行了去年變處理,而距平是去年變常用的方法。所謂距平就是某一系列數(shù)值中某一個數(shù)與平均值的差,即測值到平均值的距離?；静襟E為:計算出1989—2021年所有年份同月測值的均值作為標準周期值,再用觀測值月平均值減去同期測值的周期值得到距平值。距平曲線的趨勢速率改變點則為異常開始點或轉折點。整個提取過程是利用mapsis軟件完成的。

(2) 破年變異常的提取:通過月均值曲線選擇出年變完整(上升和下降都為單調(diào)變化)的13個年份[1997—1998年、2010—2021年(不包含2013年)],將這些年份同月測值的均值作為正常背景值,計算每年觀測值與正常背景值的線性相關系數(shù),再通過異常與本文所選取震例的對應關系,選取報準率/(漏報率+虛報率)的最大值作為異常閾值,確定異常的閾值為0.69,低于0.69則為破年變異常。

(3) 短期突跳異常提取:突變是地震短期、短臨異常變化的標志之一。但由于嘉峪關氣氡測值的波動很大,且不同季節(jié)的波動幅度不同,很難通過定量計算提取出突跳異常,因此這里對突跳異常的提取主要以定性分析為主,即在變化相對平穩(wěn)的背景上,測值出現(xiàn)了突跳變化且突跳幅度超過背景值的一倍則確定為異常。但對異常與地震對應關系的初步分析發(fā)現(xiàn),單個突跳變化虛報率很高,也無法有效排除干擾引起的突跳。通過震例類比并結合異常與地震的對應關系,認為達到異常的突跳變化在3個月內(nèi)至少出現(xiàn)3次才能作為短期突跳異常的判別指標。

2.2 震例分析

(1) 1993年祁連MS6.0地震

受數(shù)據(jù)起始時間的限制,僅根據(jù)震前資料的變化無法判斷祁連地震前是否存在一年以上的趨勢異常。但如果存在趨勢異常,震后一段時間測值會出現(xiàn)恢復性變化。圖2顯示,1993年之后多年測值一直與震前變化保持一致,由此可以判斷祁連MS6.0地震前嘉峪關氣氡并未出現(xiàn)多年的趨勢異常。

圖2 嘉峪關氣氡月均值和距平曲線(藍色標注的地震前氣氡未出現(xiàn)異常)Fig.2 Monthly mean values and departure curves of Jiayuguan gas radon

從圖3可以看出,1993年嘉峪關氣氡測值與標準背景值的相關系數(shù)達到了0.88,高于0.69,表明氣氡觀測值曲線與標準背景值曲線非常接近,沒有出現(xiàn)破年變異常。

圖3 嘉峪關氣氡月均值與標準值相關系數(shù)曲線Fig.3 Correlation coefficient curve between monthly mean value and standard value of Jiayuguan gas radon

縱觀1993年氣氡日值曲線的變化(圖4),全年波動不大,震前三個月測值比之前更穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)達到異常閾值突跳的變化,表明地震前嘉峪關氣氡也沒有出現(xiàn)短期成組突跳異常。

圖4 祁連地震前嘉峪關氣氡日值曲線Fig.4 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Qilian earthquake

(2) 2003年德令哈Ms6.6和民樂Ms6.1地震

2003年德令哈和民樂地震發(fā)生時間相差191天,如果氣氡存在多年的趨勢異常和年尺度的破年變異常,兩者無法區(qū)分。從氣氡的距平曲線來看(圖2),1990—2003年曲線趨勢速率穩(wěn)定,既沒有加速,也沒有轉折變化,據(jù)此可以判斷這兩次地震前嘉峪關氣氡并未出現(xiàn)1年以上的趨勢異常。

從圖3可以明顯看出,2002年開始嘉峪關氣氡相關系數(shù)加速減小,2003年達到最低值,表明測值曲線與正常背景值曲線相比出現(xiàn)了很大的偏差,即出現(xiàn)了氣氡破年變異常,但德令哈地震發(fā)生在2003年4月17日,用2003年氣氡的相關系數(shù)無法反映震前1年氣氡的變化,為此計算了2002年2月開始的氣氡相關系數(shù)。計算結果顯示,2002年1—12月氣氡的相關系數(shù)為0.64,2002年2月至2003年1月的其相關系數(shù)減小到0.53,再順延1個月,該相關系數(shù)減小到0.48,表明德令哈地震前嘉峪關氣氡存在破年變異常。民樂地震發(fā)生在2003年10月25日,如果使用2003年氣氡的相關系數(shù)來判斷就不能排除破年變是否只出現(xiàn)在德令哈地震之前,為此計算了2003年5月—2004年4月氣氡的相關系數(shù),結果為0.65,依然比無強震年份低,也低于異常閾值,這表明德令哈地震后嘉峪關氣氡破年變異常依然存在。因此這兩次地震前嘉峪關氣氡都出現(xiàn)了破年變異常。

圖5顯示,德令哈地震前的2003年2月6日開始,嘉峪關氣氡出現(xiàn)了大幅突跳變化,截至地震發(fā)生,總共出現(xiàn)了5組此類變化。德令哈地震后,氣氡突跳幅度逐漸減小,但8月20日,即民樂地震前2個月開始,氣氡又出現(xiàn)了幅度增大的突變型異常,且成組出現(xiàn),其中幅度最大的變化出現(xiàn)在10月8日。表明兩次地震前嘉峪關氣氡都出現(xiàn)了明顯的短期成組突跳異常。

圖5 德令哈、民樂地震前嘉峪關氣氡日值曲線Fig.5 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Minle and Delingha earthquakes

(3) 2008年大柴旦MS6.3級和2009年MS6.4地震

由于這兩次地震發(fā)生間隔不到一年,如果氣氡存在多年趨勢異常,則存在疊加的現(xiàn)象。圖2氣氡的距平曲線顯示,嘉峪關氣氡自觀測以來,截至2015年趨勢都非常穩(wěn)定,因此這兩次震前并未出現(xiàn)多年尺度的趨勢異常。

年尺度上(圖3),2008年,嘉峪關氣氡的相關系數(shù)出現(xiàn)了加速下降變化,為觀測以來的最低值,且地震發(fā)生在2008年11月,表明震前嘉峪關氣氡出現(xiàn)了明顯的破年變異常。2009年其相關系數(shù)相較2008年有所增大,但仍然低于異常閾值線,表明這兩次地震前嘉峪關氣氡都出現(xiàn)了破年變異常。

嘉峪關氣氡的日值曲線顯示(圖6),測值在整體比較穩(wěn)定的基礎上,2008年8月開始出現(xiàn)了4次突跳變化,且10月21日幅度最為顯著。2009年6月開始測值波動加大,突跳變化明顯,6月27日達到最大,之后在相對平穩(wěn)的背景下發(fā)生了地震,表明這兩次地震前三個月嘉峪關氣氡出現(xiàn)了成組突跳的短期異常。

圖6 大柴旦地震前嘉峪關氣氡日值曲線Fig.6 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Dachaidan earthquakes

(4) 2016年門源MS6.4地震

由圖2可見,2016年門源MS6.4地震前一年氣氡距平曲線并沒有發(fā)生改變,表明沒有出現(xiàn)一年以上的趨勢異常。但2015年5月開始,即震前8個月,曲線在一直平穩(wěn)變化的背景上出現(xiàn)了加速上升變化。這次異常出現(xiàn)后,進行過兩次現(xiàn)場核實,發(fā)現(xiàn)測值出現(xiàn)加速變化時,周圍環(huán)境發(fā)生了改變,通過對測點周圍斷層土壤氣組分的測量及分析,認為氣氡加速上升存在著環(huán)境干擾的影響[10]。另外,如果嘉峪關氣氡2015年5月開始的加速上升包含地震前兆異常的信息,那么2017年7月的轉折下降變化標志著地震孕育進入到中短期階段[11-12],但轉折后的53個月才發(fā)生了門源MS6.9地震,如果對應的是瑪多MS6.9地震,也長達36個月,并不符合中短期異常的特征,這進一步證明了氣氡距平曲線2015年5月開始的加速上升變化并不是MS6.4地震的前兆異常。因此門源MS6.4地震前氣氡并沒有出現(xiàn)多年的趨勢性異常變化。

由于地震發(fā)生在2016年1月21日,如果震前嘉峪關氣氡存在破年變異常,那么其相關系數(shù)減小就應該出現(xiàn)在2015年。圖3顯示,2015年的相關系數(shù)達到了0.92,高于2009年前所有年份,也遠遠大于異常閾值,表明實測曲線與標準曲線很相近,MS6.4地震前嘉峪關氣氡沒有破年變異常。

短期變化上(圖7),氣氡測值雖然波動比較大,但這種變化貫穿全年,突跳幅度也未超過異常閾值,因此門源MS6.4地震前,嘉峪關氣氡并沒有出現(xiàn)短期成組突跳異常。

圖7 門源MS6.4地震前嘉峪關氣氡日值曲線Fig.7 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Menyuan MS6.4 earthquake

(5) 2022年門源MS6.9地震

圖2顯示,嘉峪關氣氡在多年平穩(wěn)變化的背景下,2015年5月,即震前79個月出現(xiàn)了加速上升,2017年7月達到高值后轉為下降變化,下降的過程中發(fā)生了門源MS6.9地震,前已述及,嘉峪關氣氡上升變化存在環(huán)境干擾的因素,可信的異常是從2017年7月轉折下降開始的,該轉折距離門源MS6.9地震發(fā)生長達53個月,因此門源MS6.9地震前嘉峪關氣氡存在趨勢異常。

圖3嘉峪關氣氡相關系數(shù)曲線顯示,2010年開始氣氡都處在高值狀態(tài),且2013年開始逐年上升,2019—2020年略有下降,2021年又轉為上升。2010年以來該氣氡相關系數(shù)值基本都在0.9以上,2021年達到了0.94,遠遠超過異常閾值,表明門源MS6.9地震前嘉峪關氣氡并沒有出現(xiàn)破年變異常。

圖8為門源MS6.9地震前一年嘉峪關氣氡的日值曲線?？梢钥闯?氣氡全年測值的變化非常穩(wěn)定,震前也沒有出現(xiàn)大的突跳或波動變化,因此門源MS6.9地震前嘉峪關氣氡沒有短期異常出現(xiàn)。

圖8 門源MS6.9地震前嘉峪關氣氡日值曲線Fig.8 Daily value curve of Jiayuguan gas radon before Menyuan MS6.9 earthquake

3 討論

3.1 不同地震前氣氡異常的差異性

以上的分析結果顯示,祁連山地震區(qū)及周邊7次震例中,6次震前嘉峪關氣氡沒有出現(xiàn)1年以上的趨勢性異常,只有門源MS6.9地震前出現(xiàn)了長達53個月的趨勢性異常;氣氡出現(xiàn)破年變異常的有4次,分別為德令哈MS6.6地震、民樂MS6.1地震和大柴旦MS6.3和MS6.4地震,都為低值破年變異常。氣氡出現(xiàn)短期異常的地震與出現(xiàn)破年的地震完全一致,且距離發(fā)震時間最近的突跳幅度最大,第一次突跳出現(xiàn)在震前51～74天,最大幅度的突跳出現(xiàn)在震前17～20天。在嘉峪關氣氡變化幅度上,德令哈地震最為顯著,其次為民樂地震。

因此,祁連山地震區(qū)的MS6.0以上地震前,嘉峪關氣氡異常演化的階段性并不完整,出現(xiàn)多年趨勢異常的地震前沒有出現(xiàn)年尺度的破年度異常和短期成組突跳異常。氣氡出現(xiàn)破年變異常的都出現(xiàn)了短期異常,但未出現(xiàn)長趨勢異常。兩次地震前,氣氡沒有出現(xiàn)任何形式的異常。異常出現(xiàn)與否,與震中距關系不明顯,如本文分析的震例中,祁連MS6.0地震距離嘉峪關氣氡最近,僅為139 km,震前氣氡沒有出現(xiàn)任何形式的異常。

3.2 氣氡不同異常特征對應地震的空間分布

從圖1可以看出,這7次地震主要分布在三條斷裂,即大柴旦—宗務隆山斷裂、廣義海原斷裂的托萊山—冷龍嶺斷裂[13]及民樂—永昌隱伏斷裂。大柴旦MS6.3、6.4和德令哈MS6.6地震分布在大柴旦—宗務隆山斷裂上,祁連MS6.0地震和門源MS6.4、6.9地震分布在托萊山—冷龍嶺斷裂上,民樂MS6.1地震分布在民樂—永昌隱伏斷裂上。前面的分析結果顯示,位于大柴旦—宗務隆山斷裂的3次地震前氣氡異常非常相似,即都沒出現(xiàn)多年趨勢異常,但都出現(xiàn)了明顯的破年變和短期突跳異常,從圖2和圖4～8可以看出,氣氡破年變異常都為低值異常,突跳都為正突跳。位于民樂—永昌隱伏斷裂的民樂MS6.1地震前氣氡的異常和大柴旦—宗務隆山斷裂上的3次地震前一樣,也為低值破年變和短期的正突跳變化。位于托萊山—冷龍嶺斷裂的3次地震,祁連MS6.0和門源MS6.4地震前氣氡沒有出現(xiàn)任何形式的異常,門源MS6.9地震前也沒有出現(xiàn)破年變和短期異常,但出現(xiàn)多年的趨勢異常,與該斷裂其他地震前的異常出現(xiàn)了差別,因此該趨勢異常與門源MS6.9地震的關系還需進一步分析。

因此,嘉峪關氣氡在祁連地震區(qū)強震前的變化與地震所處的構造緊密相關,不同斷裂上的地震氣氡的響應存在著差別。托萊山—冷龍嶺斷裂上應力的變化,嘉峪關氣氡測點并不是響應的靈敏點。

3.3 氣氡趨勢變化與門源MS6.9地震關系分析

前面的分析結果表明,嘉峪關氣氡的異常特征與對應地震所處的構造有關,位于托萊山—冷龍嶺斷裂上的3次地震,在趨勢異常變化上,門源MS6.9地震與其他兩次地震前出現(xiàn)了差別。為此需要對這次異常與門源MS6.9地震的關系進行進一步分析。

(1) 門源MS6.9地震與嘉峪關氣氡測點構造背景分析

嘉峪關氣氡測點距離門源MS6.9地震震中342 km,根據(jù)《中國震例》的統(tǒng)計范圍[8],6級地震的震中距控制在300 km范圍內(nèi),此次地震接近7級,342 km也基本符合統(tǒng)計范圍。在構造上,這次地震發(fā)生在青藏高原東北緣廣義海原斷裂的冷龍嶺斷裂西段,嘉峪關氣氡測點位于嘉峪關斷裂(圖1),是祁連山北緣斷裂的伴生斷裂帶,冷龍嶺斷裂西與肅南—祁連山斷裂相連,都是祁連山河西走廊斷裂系的組成部分[14]。因此在構造上,支持嘉峪關氣氡的趨勢變化為門源MS6.9地震的前兆異常。但僅根據(jù)構造背景,無法判斷一個異常過程是否僅僅為一次地震的孕育引起。

(2) 不同斷裂地震差異性分析

震例分析結果顯示,嘉峪關氣氡的異常變化特征與地震所處的構造相關,大柴旦—宗務隆山斷裂上的3次地震前氣氡的異常變化是一致的。但托萊山—冷龍嶺斷裂上的3次地震前氣氡異常在基本一致的基礎上,門源MS6.9地震前氣氡出現(xiàn)了趨勢異常。對比這兩條斷裂上的地震,大柴旦—宗務隆山斷裂上的3次地震震級差較小,最大的為0.3,最大震級也僅為MS6.6。而托萊山—冷龍嶺斷裂上的3次地震的級差較大,最大的達到了0.9,最大震級接近7級,且氣氡在震級偏小的兩次地震前沒有出現(xiàn)任何形式的異常,接近7級的門源MS6.9地震前氣氡出現(xiàn)趨勢異常,這也符合震級越大趨勢異常越顯著的特征。但一次MS6.9地震能否引起這么長時間的趨勢異常呢？

門源MS6.4和門源MS6.9地震相距很近,僅為32 km。如果門源MS6.9地震前氣氡的趨勢異常持續(xù)時間較短,震前較小的兩次地震前氣氡未出現(xiàn)趨勢異常也符合地震孕育的機理,但是門源MS6.9震前氣氡趨勢異常長達53個月,理論上,震中距離很近且構造相同的MS6.4地震前也有趨勢異常出現(xiàn),但事實并非如此。如果門源MS6.4地震前8個月氣氡出現(xiàn)的加速異常中包含地震前兆異常的信息,那么門源MS6.9地震的趨勢異常就長達79個月,對震級差僅有0.5且位于同一震級檔的兩次地震,異常時間超過11倍也不符合應力積累的規(guī)律。因此,將嘉峪關氣氡多年的長趨勢異常單獨作為門源MS6.9一次地震的前兆異常并不合理。

對比托萊山—冷龍嶺斷裂上這3次地震前后區(qū)域內(nèi)地震活動概況,發(fā)現(xiàn)3次地震之間存在著明顯的差別,即祁連MS6.0、門源MS6.4前后一年,祁連山地震區(qū)并沒有發(fā)生MS5.5以上地震,但門源Ms6.9地震前的231天,在巴顏喀拉塊體北邊界發(fā)生了MS7.4地震,它距離嘉峪關測點570 km,震中距并不大,并且流體的遠震異常普遍存在,如高小其等[15]對新疆7級以上地震前地下流體源兆、場兆和遠震特征進行了分析,發(fā)現(xiàn)強震場兆和遠兆都以中期異常為主,且以水化學測項居多?，敹嗟卣鸢l(fā)生后,祁連山地震區(qū)又發(fā)生了2次MS5.5以上地震,之后發(fā)生了門源MS6.9地震,門源地震后又發(fā)生了德令哈MS5.8地震,這些地震具有相同的構造背景。

綜合分析認為,嘉峪關氣氡的長趨勢異常變化表明該區(qū)域構造活動增加,它是瑪多地震及其之后發(fā)生在祁連山地震區(qū)及其周邊MS5.5以上一系列地震的響應,包括門源Ms6.9地震。

4 結論

本文通過對祁連山地震區(qū)及其周邊7次MS6.0及以上地震前嘉峪關氣氡的變化特征和對嘉峪關氣氡多年長期趨勢異常與門源MS6.9地震關系的分析,得出了以下主要結論。

(1) 該區(qū)域,有些地震前氣氡出現(xiàn)了明顯的響應,表現(xiàn)為破年變和短期成組突跳異常變化,有些地震前氣氡沒有響應,且地震發(fā)生前氣氡是否響應,與震中距沒有明顯的關系。

(2) 氣氡是否出現(xiàn)異常,與地震發(fā)生的斷裂緊密相關,同一斷裂的地震氣氡異常具有相似性特征,地震前分布在大柴旦—宗務隆山斷裂上的,氣氡都出現(xiàn)了破年變和成組突跳的配套性異常,而分布在托萊山—冷龍嶺斷裂上的氣氡通常沒有異常顯示。

(3) 嘉峪關氣氡的趨勢異常可能與整個區(qū)域構造活動的增強有關,它可能是瑪多MS7.4及其之后發(fā)生在祁連山地震區(qū)及其周邊包含門源MS6.9在內(nèi)一系列MS5.5以上地震的響應。